устройство для диагностирования топливной аппаратуры дизелей

Формула изобретения

Устройство для диагностирования топливной аппаратуры дизелей, содержащее основание стенда, на котором размещены испытываемый топливный насос высокого давления (ТНВД), форсунки, мерные цилиндры, распределитель топлива, верхний и нижний топливные баки, подкачивающий насос стенда, топливный фильтр, демпфер манометра, манометр, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введен топливный цилиндр, через который проходят топливопроводы высокого давления (ТВД), причем топливный цилиндр соединен с аккумулятором высокого давления топлива и с гасителем гидравлических колебаний топлива в топливном цилиндре, а на валу испытываемого ТНВД размещен диск с установленными на нем постоянным магнитом управления открытием золотника гасителя гидравлических колебаний топлива и постоянным магнитом отметчика верхней мертвой точки (ВМТ) первого цилиндра, при этом в устройство для диагностирования также введены электрическая схема регистрации изменения давления топлива в ТВД, содержащая датчик давления топлива, размещенный в топливном цилиндре и соединенный включателем и электрическими цепями с усилителем тока, аналого-цифровым преобразователем (АЦП), портом и компьютером, причем компьютер соединен с дисплеем; электрическая схема отметчика ВМТ первого цилиндра, содержащая электрическую катушку, размещенную на корпусе ТНВД и соединенную через электрическую цепь с электрическим блоком; электрическая схема управления золотником сообщения топливного цилиндра с гасителем гидравлических колебаний топлива, состоящая из электрической катушки, закрепленной на корпусе ТНВД, усилителя постоянного тока и электрической катушки золотника сообщения топливного цилиндра с гасителем гидравлических колебаний топлива, соединенных между собой электрической цепью.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для измерения разности двух и более величин давления и может быть использовано для проверки топливной аппаратуры дизелей как на стендах, так и непосредственно на работающих двигателях.

Известно устройство для проверки плунжерных пар и нагнетательных клапанов секций топливного насоса высокого давления (ТНВД) на дизеле [1]. Для проверки состояния плунжерных пар и герметичности нагнетательных клапанов используют приспособление КИ-4802 ГОСНИТИ. Оно состоит из манометра и рукоятки. В рукоятку вмонтированы демпфер и предохранительный клапан, который отрегулирован на давление 300 кгс/см² (30 МПа).

Приспособление соединяют топливопроводом высокого давления (ТВД) с проверяемой секцией ТНВД и проворачивают коленчатый вал дизеля пусковым двигателем или стартером. Если плунжерная пара не развивает давление 300 кгс/см² (30 МПа) и более, ее следует заменить.

Герметичность нагнетательного клапана проверяют, создав насосной секцией давление 150 кгс/см² (15 МПа). Затем подачу топлива прекращают и по секундомеру засекают время падения давления в системе приспособления от 150 до 130 кгс/см² (от 15 до 13 МПа). Если время падения давления не превышает 10 с, то нагнетательный клапан выбраковывают.

При отсутствии приспособления КИ-4802 техническое состояние плунжерных пар и работу нагнетательных клапанов можно проверить с помощью манометра, соединенного тройником с форсункой, играющей роль предохранительного клапана.

Однако данное устройство не обеспечивает совместную одновременную проверку ТНВД и форсунок, требует значительных трудозатрат при неполной оценке состояния вышеуказанных приборов системы питания дизелей.

Известно устройство для проверки работы форсунки на дизеле [1]. Для проверки форсунки устанавливают такой режим работы дизеля, при котором наиболее отчетливо слышны перебои. Затем ослабляют поочередно гайки крепления топливопроводов высокого давления. Если частота вращения коленчатого вала после ослабления затяжки гайки не изменяется, то проверяемая форсунка неисправна. Если форсунка не работает из-за нарушения регулировки давления начала впрыскивания топлива, то ее можно отрегулировать, применяя максиметр или контрольную форсунку. Закрепив максиметр на штуцере ТНВД, соединяют с ним проверяемую форсунку, проворачивают коленчатый вал стартером и добиваются одновременного начала впрыскивания топлива максиметром и форсункой. При отсутствии максиметра проверяемую форсунку с помощью тройника соединяют с контрольной. Соединив тройник со штуцером ТНВД, проворачивают коленчатый вал дизеля стартером и добиваются одновременности начала впрыскивания топлива у контрольной и регулируемой форсунок.

Данное устройство также не обеспечивает объективной оценки состояния форсунки, так как не позволяет определить максимальное давление впрыскивания топлива, момент посадки иглы форсунки в седло и продолжительность процесса впрыскивания топлива форсункой.

Известны стенды для проверки, регулировки и испытаний ТНВД и форсунок СДТА-1 и СДТА-2 [2], которые обеспечивают измерение следующих параметров: количества топлива, подаваемого каждой секцией ТНВД, угла опережения начала впрыскивания топлива, продолжительности процесса впрыскивания топлива, давления начала открытия нагнетательных клапанов.

Однако при использовании стендов СДТА-1 и СДТА-2 требуется значительное время для проведения проверки топливной аппаратуры дизелей из-за необходимости выполнения большого числа вспомогательных операций. Например, для проверки угла опережения начала впрыскивания топлива секцией ТНВД необходимо снять трубопровод высокого давления со штуцера первой секции и установить на этот штуцер стеклянную трубку (моментоскоп). После этого проворачивают кулачковый вал ТНВД до начала движения топлива в моментоскопе и определяют угол опережения начала впрыскивания топлива по шкале подвижного диска.

Отсутствие при испытании ТНВД и форсунок достоверных данных проверки в виде диаграммы, получаемой с помощью прибора, автоматически регистрирующего процесс топливоподачи в дизеле, не позволяет сделать объективную оценку состояния топливной аппаратуры на различных режимах работы ТНВД (пусковая подача, подача при максимальной частоте вращения на холостом ходу, промежуточные подачи при различной частоте вращения коленчатого вала). Кроме того, на данных стендах невозможно проверить одновременную совместную работу всех секций ТНВД и форсунок.

Однако стенды СДТА-1 и СДТА-2 наиболее близки по своей сущности к заявляемому изобретению и приняты за прототип.

Технический результат направлен как на сокращение времени проведения испытаний ТНВД и форсунок, так и на автоматизацию регистрации процесса топливоподачи с целью получения данных, позволяющих сделать объективную оценку состояния топливной аппаратуры, испытываемой на стенде или непосредственно на двигателе.

Технический результат достигается тем, что в разработанное устройство, содержащее основание стенда, на котором размещены испытываемый ТНВД, форсунки, мерные цилиндры, распределитель топлива, верхний и нижний топливные баки, подкачивающий насос стенда, топливный фильтр, демпфер манометра, манометр, дополнительно введен топливный цилиндр, через который проходят топливопроводы высокого давления (ТВД), причем топливный цилиндр соединен с аккумулятором высокого давления топлива и с гасителем гидравлических колебаний топлива в топливном цилиндре, а на валу испытываемого ТНВД размещен диск с установленными на нем постоянным магнитом управления открытием золотника гасителя гидравлических колебаний топлива и постоянным магнитом отметчика верхней мертвой точки (ВМТ) первого цилиндра, при этом в устройство для диагностирования также введены:

- электрическая схема регистрации изменения давления топлива в ТВД, содержащая датчик давления топлива, размещенный в топливном цилиндре и соединенный включателем и электрическими цепями с усилителем тока, аналого-цифровым преобразователем (АЦП), портом и компьютером, причем компьютер соединен с дисплеем;

- электрическая схема отметчика ВМТ первого цилиндра, содержащая электрическую катушку, размещенную на корпусе ТНВД и соединенную через электрическую цепь с электрическим блоком;

- электрическая схема управления золотником сообщения топливного цилиндра с гасителем гидравлических колебаний топлива, состоящая из электрической катушки, закрепленной на корпусе ТНВД, усилителя постоянного тока и электрической катушки золотника сообщения топливного цилиндра с гасителем гидравлических колебаний топлива, соединенных между собой электрической цепью.

Отличительными признаками от прототипа является то, что в нее дополнительно введен топливный цилиндр, через который проходят ТВД, причем топливный цилиндр соединен с аккумулятором высокого давления топлива и с гасителем гидравлических колебаний топлива в топливном цилиндре, а на валу испытываемого ТНВД размещен диск с установленными на нем постоянным магнитом управления открытием золотника гасителя гидравлических колебаний топлива и постоянным магнитом отметчика верхней мертвой точки (ВМТ) первого цилиндра, при этом в устройство для диагностирования также введены:

- электрическая схема регистрации изменения давления топлива в ТВД, содержащая датчик давления топлива, размещенный в топливном цилиндре и соединенный включателем и электрическими цепями с усилителем тока, аналого-цифровым преобразователем (АЦП), портом и компьютером, причем компьютер соединен с дисплеем;

- электрическая схема отметчика ВМТ первого цилиндра, содержащая электрическую катушку, размещенную на корпусе ТНВД и соединенную через электрическую цепь с электрическим блоком;

- электрическая схема управления золотником сообщения топливного цилиндра с гасителем гидравлических колебаний топлива, состоящая из электрической катушки, закрепленной на корпусе ТНВД, усилителя постоянного тока и электрической катушки золотника сообщения топливного цилиндра с гасителем гидравлических колебаний топлива, соединенных между собой электрической цепью.

На фиг.1 и 2 изображено устройство для диагностирования топливной аппаратуры дизелей, на фиг.3 - диаграмма изменения давления топлива в ТВД в зависимости от угла поворота распределительного вала.

Устройство для диагностирования топливной аппаратуры дизелей (фиг.1) содержит основание стенда 1, на котором размещены испытываемый ТНВД 2, форсунки 3, мерные цилиндры 4, распределитель топлива 5, верхний 6 и нижний 7 топливные баки, подкачивающий насос 8, топливный фильтр 9, демпфер манометра 10, манометр 11. Над ТНВД 2 установлен топливный цилиндр 12, через который проходят ТВД 13. Топливный цилиндр 12 соединен трубопроводом 14 с аккумулятором высокого давления топлива 15, а трубопроводом 16 - с гасителем гидравлических ударов топлива 17 в цилиндре 12. Аккумулятор высокого давления топлива 15 предназначен для поддержания в топливном цилиндре 12 избыточного давления топлива, равного 150 МПа. Такая величина избыточного давления исключает как эрозионное разрушение наружных поверхностей ТВД 13 вследствие исключения возникновения явления кавитации [3], так и для увеличения скорости передачи давления топлива от ТВД к датчику давления и для увеличения быстродействия срабатывания электрической схемы регистрации давления в ТВД.

Гаситель гидравлических колебаний топлива 17 выполнен в виде шара, соединенного трубопроводом 16 с топливным цилиндром 12 через отверстие 18 (фиг.2), выполненное в золотнике 19. Золотник 19 предназначен для сообщения гасителя гидравлических колебаний 17 с топливным цилиндром 12 в промежутки времени между подачами топлива отдельными секциями ТНВД 2.

Над золотником 19 в его корпусе 20 размещена возвратная пружина 21, а над другой частью золотника 19 установлена электрическая катушка 22, образующая соленоид. Электрическая катушка 22 соленоида соединена электрическими линиями 23 и 24 через выпрямитель постоянного тока 25 с электрической катушкой 26, закрепленной на передней части ТНВД 2. На переднем конце кулачкового вала 27 ТНВД 2 закреплен подвижный диск 28 вместе с установленными на нем четырьмя постоянными магнитами 29.

Для четырехцилиндрового четырехтактного дизеля углы ₁, ₂, ₃, ₄ между постоянными магнитами 29 составляют 20° поворота распределительного вала, так как известно, что продолжительность полной подачи дизелей не превышает 40° поворота коленчатого вала или 20° поворота распределительного вала [3]. Углы ₅, ₆, ₇, ₈ составляют 70° поворота распределительного вала. Эта величина соответствует углам поворота кулачкового вала ТНВД 2 в промежутках между подачей топлива к форсункам 3 отдельными секциями ТНВД 2.

Электрическая катушка 26 вместе с постоянными магнитами 29, усилителем постоянного тока 25, электрическими цепями 23 и 24 и электрической катушкой 22 соленоида образуют электрическую схему регистрации изменения давления топлива в ТВД, содержащую тензометрический датчик давления топлива 30, размещенный в топливном цилиндре 12. Тензометрические датчики по сравнению с датчиками других типов (пьезометрические, емкостные) обладают лучшими динамическими качествами, меньшими требованиями к изоляции и к измерительной аппаратуре, имеют более простое устройство и стоимость.

Датчик 30 соединен электрическими цепями 31, 32, 33 и 34 с усилителем тока 35, АЦП 36, портом 37, компьютером 38 и дисплеем 39.

Устройство для диагностирования топливной аппаратуры дизелей содержит и электрическую схему отметчика ВМТ первого цилиндра, состоящую из электрической катушки 42, соединенной электрическими цепями 40, 32, 33 и 34 с АЦП 36, портом 37, компьютером 38 и дисплеем 39.

Все три электрические схемы включаются в работу с помощью включателя 41.

Устройство работает следующим образом: топливо подается к ТНВД 2 из нижнего топливного бака 7 через гидрораспределитель 5 и топливный фильтр 9 с помощью топливоподкачивающего насоса 8. ТНВД 2 подает топливо к форсункам 3 под высоким давлением по ТВД 13.

Для диагностирования технического состояния ТНВД 2, форсунок 3 и ТВД 13 необходимо замкнуть контакты включателя 41. При этом будут работать электрические схемы управления золотником сообщения топливного цилиндра 12 с гасителем гидравлических колебаний топлива 17, регистрации изменения давления топлива в ТВД 13 и отметчика ВМТ первого цилиндра.

Электрическая схема управления золотником сообщения топливного цилиндра 12 с гасителем гидравлических колебаний топлива 17 работает следующим образом.

При протекании топлива по ТВД 13 с переменным по величине давлением они подвержены вибрациям, которые передаются топливу в топливном цилиндре 12. Под воздействием вибраций ТВД 13 в топливе возникают волновые явления, которые отрицательно влияют на работу датчика давления топлива 30. Это происходит вследствие возникновения резонанса при сложении колебаний, вызванных вибрациями ТВД 13, по которым топливо подается к форсункам.

При повороте подвижного диска 28 на угол 45° постоянный магнит 29 перемещается у витков электрической катушки 26, в которой возникает электрический ток. Электрический ток по электрическим цепям 24 и 23 через усилитель тока поступает в электрическую катушку 22. Под действием электрического поля, возникшего в катушке 22, золотник 19 перемещается влево, сжимая возвратную пружину 21. При этом отверстие 18 в золотнике 19 совмещается с отверстием трубопровода 16. В этом случае часть топлива из топливного цилиндра 12 будет перетекать в шар 17, в котором находится воздух. Вследствие периодического сжатия воздуха в шаре 17 происходит быстрое затухание волновых колебаний в цилиндре 12. При повороте кулачкового вала на углы ₁, ₃, ₄ и ₂ происходит подача топлива к первой, третьей, второй и четвертой секциям ТНВД 2 и к первой, третьей, второй и четвертой форсункам соответственно. При этом гаситель гидравлических колебаний 17 не работает. В промежутки времени, соответствующие углам ₅, ₆, ₇ и ₈, шар 17 через отверстие 18 в золотнике 19 сообщается с топливным цилиндром 12, в котором происходит затухание гидравлических колебаний в топливе.

Таким образом, гашение волновых явлений, возникающих в топливном цилиндре 12 вследствие вибраций ТВД 13, происходит в промежутках времени между подачами топлива ТНВД 2 к форсункам 3.

Принцип работы электрической схемы регистрации изменения давления топлива в ТВД 13 заключается в том, что изменение давления регистрируется датчиком давления топлива 30, электрический сигнал, поступающий от датчика 30, усиливается усилителем тока 35 и поступает на АЦП 36, который преобразует аналоговый сигнал в соответствующий ему код. Этот код через порт 37 поступает в компьютер (вычислительную машину) 38, выход которой соединен с дисплеем 39, на котором отображается информация об изменении давления топлива в ТВД 13.

При вращении кулачкового вала 27 ТНВД 2 топливо секциями нагнетается под высоким давлением в порядке работы цилиндров дизеля через ТВД 13 к форсункам 3. При протекании топлива по участку ТВД 13, размещенному в топливном цилиндре 12, импульс давления топлива передается через стенки ТВД 13 и топливо, находящееся под давлением 150 МПа [3] в топливном цилиндре 12, к датчику давления 30, от которого электрический сигнал поступает по электрической цепи 31 к усилителю тока 35 и АЦП 36. Точность регистрации процесса топливоподачи определяется амплитудно-частотными характеристиками измерительных приборов, под которыми обычно понимают зависимость коэффициента трансформации сигнала от частоты [5]. Представление о необходимом спектре частот, описывающих процессы в топливной аппаратуре с заданной точностью, можно получить на основании треугольного и прямоугольного импульсов, форма которых близка к осциллограммам процессов, исследуемых в топливной аппаратуре (например, кривой изменения давления впрыскивания топлива в зависимости от угла поворота кулачкового вала ТНВД 2).

Пределы необходимого спектра можно установить на примере анализа треугольного импульса, описываемого функцией в виде ряда [5]:

где А₀ - величина входного сигнала;

а - длина волны входного сигнала;

k - порядок учитываемой гармоники.

При регистрации процесса топливоподачи с крутыми фронтами необходимый спектр можно определить по величине фазового сдвига, вызванного тем, что амплитуда пропускного импульса достигает номинального значения не сразу, а через какой-то промежуток _н, который обычно называют временем нарастания.

Наибольшая величина нарастания фронта топливоподачи наблюдается у импульсов, приближающихся по форме к прямоугольным, и описывается следующим выражением в виде ряда [5]:

Сигнал от АЦП 36 поступает по электрическим цепям 32, 33 и 34 в порт 37, компьютер 38 и на дисплей 39 в виде графической зависимости изменения давления топлива в ТВД 13 от угла поворота кулачкового вала ТНВД 2 (фиг.3).

В случае подачи топлива первой секцией ТНВД 2 срабатывает электрическая схема отметчика ВМТ первого цилиндра, так как при перемещении постоянного магнита 39 у электрической катушки 42 в зазоре между этими деталями возникает магнитный поток Ф, причем в какой-то момент времени он достигает максимума, а затем убывает. В соответствии с изменением магнитного потока изменяется и величина ЭДС, создаваемой в катушке 42, определяемая по формуле:

В соответствии с выражением (3) ЭДС достигает максимальных значений при максимуме , между которыми кривая ЭДС проходит через ВМТ. Электрический импульс от электрической катушки 42 передается по электрическим цепям 40, 32, 33 и 34 на дисплей 39 в виде импульса 8 (фиг.3).

На диаграмме изменения давления впрыскивания топлива в цилиндры двигателя [4] в зависимости от угла поворота распределительного вала (фиг.3) точка 1 соответствует началу повышения давления, совпадающего с подъемом нагнетательного клапана. В точке 2 давление топлива достигает величины, при которой преодолевается усилие затяжки пружины форсунки, игла отрывается от своего седла, и происходит впрыск. На участке 3-4 происходит снижение темпа прироста давления впрыскивания вследствие увеличения объема в распылителе при подъеме иглы форсунки. В точке 5 давление впрыскивания достигает максимального значения. Точка 6 соответствует моменту посадки иглы форсунки в седло, а в точке 7 происходит посадка нагнетательного клапана в седло.

На диаграмме (фиг.3) в качестве примера представлены изменения давления впрыскивания топлива в цилиндры за один рабочий цикл четырехтактного четырехцилиндрового дизеля. Эти диаграммы можно сравнивать с эталонными расчетными диаграммами и определять неисправности в работе секций ТНВД и форсунок как на стенде, так и на двигателе, установленном на стенде или на транспортном средстве. Например, на фиг.3 видно, что секция ТНВД третьего цилиндра имеет низкие давления в точках 1 и 7, что свидетельствует о неплотной посадке нагнетательного клапана в седло и об износе плунжерной пары. Секция четвертого цилиндра имеет недостаточную затяжку пружины иглы форсунки, которая вследствие этого поднимается раньше. Давление в точке 5 этой секции не достигает максимального значения. Это приведет к ухудшению распыливания топлива в камере сгорания и к ухудшению протекания процесса сгорания.

Объем топлива, впрыскиваемого форсунками 3 (фиг.1), определяется с помощью мерных цилиндров 4.

Таким образом, заявляемая конструкция устройства для диагностирования топливной аппаратуры дизелей позволяет получить диаграммы изменения давления впрыскивания топлива в ТВД в зависимости от угла поворота кулачкового вала ТНВД. Получаемые диаграммы позволяют получить объективные данные о техническом состоянии ТНВД, ТВД и форсунок, обнаружить неисправности в их работе. Устройство для диагностирования топливной аппаратуры имеет только один датчик давления топлива. Это упрощает конструкцию устройства и снижает его стоимость.

Источники информации

1. Н.К.Бахтияров и др. Топливная аппаратура тракторных и комбайновых двигателей. - М.: Колос, 1980. - 160 с.

2. Г.И.Трубников и др. Практикум по автотракторным двигателям. - М.: Колос, 1975. - 190 с.

3. Т.М.Башта и др. Гидравлика, гидромашины и приводы. - М.: Машиностроение, 1982. - 422 с.

4. П.М.Белов и др. Двигатели армейских машин, ч.1. Теория. - М.: Воениздат, 1971. - 508 с.

5. Б.Н.Файнлеб. Топливная аппаратура автотракторных дизелей. - Л.: Машиностроение, 1974. - 263 с.